静叶可调型向心透平的结构设计及实验研究

摘要

静叶可调型向心透平是一种以压缩气体为工质的，用于小压比工况下的动力装置。它将气体的压力能，转化为转动轴的轴功输出给负载设备，利用较小的压降得到负载所需要的动力。由于其静叶栅的角度可调，该设备可以在非稳定工况下发挥其在线调节的优势。
　　静叶可调型向心透平可调参数较多，参数之间相互影响，存在耦合关系。本文采用力学三角形理论、数值模拟与实验研究相结合的方法，对这些复杂的关系做了深入的研究。主要工作如下:
　　(1)设计并加工了一套实验设备，建立实验平台，研究影响设备性能的因素;研究静叶偏转角对效率的影响，得出静叶偏转角最佳值;研究静叶前缘和尾缘对性能的影响;研究相同工况下叶轮的叶片形状和数量对性能的影响，并分析两种叶轮形式的优势与不足。
　　(2)分析不同进口压力、出口压力和流量下，透平的输出轴功、负载转速以及效率的变化情况，得出了随着压比增大，输出轴功提高但是效率下降的结论，绘制了简单的透平工作曲线图。
　　(3)运用CFD软件FLUENT对内部流场做了结构优化方面的数值模拟研究，研究发现:静叶的转角最优值与实验一致;静叶的数量越多，对效率提升越有利，但是影响设备的可调节性;通过优化静叶的形状发现，弯叶形的静叶要比实验用静叶效率提升4％左右;静叶栅与叶轮的间隙对透平的性能有着重要的影响，间隙增大，效率以二次曲线的趋势下降。
　　(4)提出了增加蜗壳结构来优化流场的方法。在原结构中增加蜗壳结构后设备效率有明显的提升，且蜗壳较小时效果提升明显;若将只将蜗壳替代静叶栅结构，设备效率明显下降。
　　本文的实验研究和数值模拟分析，为在小压比下工作的向心透平结构参数优化与操作参数调节提供了可靠的依据。

目录

声明

摘要

引言

1 文献综述

1．1 透平机械概述

1．2 轴流式与径流式透平

1．2．1 轴流式透平

1．2．2 径流式透平

1．2．3 轴流、径流式透平机械的对比

1．3 透平技术的数值模拟研究进展

1．3．1 计算流体力学的发展

1．3．2 透平机械模拟技术的发展

1．4 透平机械国内外研究概况

1．5 本课题主要研究内容

2 静叶可调型向心透平的结构设计及工作原理

2．1 静叶可调型向心透平的结构设计

2．1．1 设计要求

2．1．2 整体结构设计

2．1．3 叶轮结构设计

2．1．4 静叶结构设计

2．1．5 其他结构设计

2．2 工作原理

2．2．1 气体动力学理论

2．2．2 透平的能量损失

2．2．3 透平的效率评价

2．3 本章小结

3 静叶可调型向心透平的实验研究

3．1 实验平台建立

3．1．1 实验流程简介

3．1．2 实验装置与测控系统介绍

3．2 静叶可调型向心透平性能评价及参数说明

3．2．1 静叶可调型向心透平性能评价

3．2．2 实验参数说明

3．3 负载扭矩的测定

3．3．1 实验方案

3．3．2 实验结果分析

3．4 静叶角度对性能的影响

3．4．1 实验方案

3．4．2 实验结果分析

3．5 静叶的前尾缘对效率的影响

3．5．1 实验方案

3．5．2 实验结果分析

3．6 叶轮形式对性能的影响

3．6．1 实验方案

3．6．2 实验结果分析

3．7 进出口压力对透平性能的影响

3．7．1 实验方案

3．7．2 实验结果分析

3．8 流量对透平性能的影响

3．8．1 实验方案

3．8．2 实验结果分析

3．9 本章小结

4 静叶可调型向心透平的内部流场分析

4．1 数值模型的建立

4．1．1 几何模型的建立

4．1．2 网格划分及边界条件

4．1．3 控制方程的选取

4．1．4 湍流模型的选取

4．1．5 控制方程的离散及求解

4．2 数值模型验证

4．2．1 初始化设置

4．2．2 数值模拟与实验对比

4．3 数值模拟与结构优化

4．3．1 静叶对透平性能的影响

4．3．2 静叶栅与叶轮间隙对效率的影响

4．3．3 叶片数量对透平性能的影响

4．3．4 蜗壳结构对流场的影响

4．4 本章小结

结论

参考文献

附录A 透平气动设计计算程序

附录B UDF二维模拟计算程序

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢